用于從多向波場測量剪切波速的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于從多向波場測量剪切波速的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請基于如下申請、要求如下申請的優(yōu)先權(quán)，并且通過引用該如下申請整體結(jié) 合于此：2013 年 7 月 19 日提交的題為"SYSTEM AND METHOD FOR MEASUREMENT OF SHEAR WAVE SPEED FROM MULTI-DIRECTIONAL WAVE FIELDS (從多向波場測量剪切波速的系統(tǒng)和方 法）"的美國臨時申請序列號61/856, 452。
[0003] 關于聯(lián)邦資助研宄的聲明
[0004] 在美國國立衛(wèi)生研宄院頒發(fā)的批準號DK092255、EB002167、和DK082408的政府支 持下做出本發(fā)明。美國政府具有對本發(fā)明的某些權(quán)利。
[0005] 發(fā)明背景
[0006] 本公開涉及對介質(zhì)性質(zhì)進行非侵入性分析的系統(tǒng)和方法。更具體地，本公開涉及 用于測量介質(zhì)中的剪切波速的系統(tǒng)和方法。
[0007] 對介質(zhì)的機械性質(zhì)的非侵入性或非破壞性測量在廣泛的應用范圍中是有用的。具 體而言，由于組織的機械性質(zhì)與組織健康狀態(tài)有關，因此測量組織的機械性質(zhì)具有重要的 醫(yī)療應用。例如，肝臟纖維化與肝臟組織的硬度（剪切模量和剪切彈性）的增加相關聯(lián)，并 且因此肝臟硬度的測量可用于非入侵性展現(xiàn)（stage)肝臟纖維化。非入侵性和非破壞性評 估硬度的一種方式是使用剪切波。由此，創(chuàng)建和精確測量在介質(zhì)中傳播的剪切波已經(jīng)引起 越來越濃的興趣。
[0008] 不管正在使用的特定系統(tǒng)和所得的功能或正在尋求的潛在的臨床信息，剪切波在 醫(yī)療應用中的使用正在增加。由此，需要提供用于以適合于醫(yī)療應用的方式來測量或確定 剪切波速的更穩(wěn)健和有效的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 在根據(jù)本公開的一個方面中，提供了一種測量介質(zhì)的材料性質(zhì)的方法，該方法包 括在介質(zhì)中產(chǎn)生多向波場。該方法還包括采用能夠檢測在介質(zhì)中傳播的波場的檢測系統(tǒng)來 在時間周期上檢測在至少兩個空間維度中的該多向波場。該方法進一步包括從檢測確定最 低波速并且基于該確定計算波速和介質(zhì)的材料性質(zhì)中的至少一個。該方法包括生成報告， 該報告指示波速和介質(zhì)的材料性質(zhì)中的至少一個。
[0010] 在根據(jù)本公開的另一方面中，提供了一種產(chǎn)生對象性質(zhì)的圖像的方法，該方法包 括在對象中產(chǎn)生多向波場。該方法還包括：使用成像設備，在時間周期上獲取有關在至少兩 個空間維度中的該多向波場的數(shù)據(jù)并且將所獲取的數(shù)據(jù)分離成在不同方向中傳播的分量 數(shù)據(jù)。該方法進一步包括從該分量數(shù)據(jù)計算指向不同空間方向的至少兩個波分量并且利用 該波分量產(chǎn)生每個傳播方向的波速圖。該方法包括將波速圖組合以產(chǎn)生速度圖像和對象的 材料性質(zhì)圖像中的至少一個。
[0011] 根據(jù)本公開的又一方面，提供一種用于測量介質(zhì)的材料性質(zhì)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括 配置成在介質(zhì)中產(chǎn)生多向波場的勵磁系統(tǒng)和配置成在時間周期上獲取有關至少兩個空間 維度中的該多向波場的數(shù)據(jù)的檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)還包括配置成從檢測系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的處理 器，從該數(shù)據(jù)中確定最低波速，并且基于該最低波速計算波速和介質(zhì)的材料性質(zhì)中的至少 一個。該處理器還配置成：生成報告，該報告指示波速和介質(zhì)的材料性質(zhì)中的至少一個。
[0012] 本發(fā)明的上述和其他方面和優(yōu)點將從以下描述中呈現(xiàn)。在說明書中，參照形成說 明書一部分的附圖，并且附圖通過圖示說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例的方式顯示。這種實施例 不一定表示本發(fā)明的全部范圍，然而，因此參照權(quán)利要求來解釋本發(fā)明的范圍。
[0013] 附圖簡述
[0014] 圖1為示出了通過超聲推束產(chǎn)生的剪切波的示意圖。
[0015] 圖2為示出了在未知方向處傳播的剪切波可導致向(^偏置的測量的示意圖。
[0016] 圖3A和3B為示出了時空和k-f頻域的示意圖，包括用于u(x，z，t)的時空域（3A) 和用于U(k x，kz，f)的k-f頻域（3B)。
[0017] 圖4為在分析均勻介質(zhì)時的方法的流程圖。
[0018] 圖5為示出了多個波的k-f域中的示意圖。
[0019] 圖6為示出了在fe= 25, 75, 125Hz處的從圖5中的數(shù)據(jù)的積分結(jié)果Sd，f。）的 一系列曲線圖，其中圓描繪了 S(b，f。）的最大斜率和用于相速度估算的km的值。
[0020] 圖7為利用k-f空間方法（由圓表示的數(shù)據(jù)點）和向方程式（1)中的沃伊特 (Voigt)模型的擬合在y 1. 9kPa和y 2= 〇. 6Pa ? s (實線）下導出的相速度頻散的曲 線圖。
[0021] 圖8為在分析不均勻介質(zhì)時的方法的流程圖。
[0022] 圖9為示出了 2D剪切波速計算的示意圖，其中計算沿著^和￥2方向兩者的剪切 波速以獲得真實的剪切波速V。
[0023] 圖10A為示出了常規(guī)局部剪切波速恢復方法的示意圖，其中從來自窗口的左邊緣 像素和右邊緣像素計算剪切波信號之間的一個互相關。
[0024] 圖10B為示出了局部剪切波速估算方法的示意圖，其中計算多個互相關，并且通 過它們的互相關系數(shù)對這些速度估算進行加權(quán)求和，來給出在中央像素處的最終剪切波 速。
[0025] 圖11A為示出了常規(guī)1D處理窗口的圖形，其中沿著軸向和橫向方向兩者使用圖 10B中所示的算法以分別獲得V#PV Z。虛線曲線表示用于獲得最高的正方形的剪切波速估 算的像素對。實線曲線表示用于獲得最左邊的三角形的剪切波速估算的像素對。值得注意 的是，僅使用穿過中央像素（通過圓表示）的線上的像素。
[0026] 圖11B為示出了在圖11A的窗口內(nèi)的用于獲得的V#PVY估算的所有像素的圖像。 三角形表示估算的V x的空間位置。矩形表示估算的VY的空間位置。漸變（gradient)表示 距離加權(quán)，其中更高的權(quán)重被分配給更靠近中央像素的估算。
[0027] 圖12為示出了在應用（apply)八個方向的濾波器之后具有內(nèi)含物的體模 (phantom)的剪切波重構(gòu)的一系列圖像。
[0028] 圖13為示出在將來自八個方向的濾波器的結(jié)果組合之后的剪切波速重構(gòu)的圖 像，其中比例尺為以m/s為單位的剪切波速。
[0029] 圖14為示出了在與傳播方向成斜角處測得的剪切波前的延時的示意圖。
[0030] 圖15為示出了在兩個像素之間測得的延時的縮放的示意圖。
[0031]圖16為示出了在具有標稱剪切波速5. 2m/s的測試體模中作出的測試的曲線圖。 點是在不同角度處測得的時間延遲（通過距離歸一化）。實線是將數(shù)據(jù)向正弦模型的擬合， 其給出了對應于5. 3m/s的剪切波速的0. 1884s/m的振幅。
[0032] 圖17A和17B為根據(jù)本發(fā)明的用于將振動傳遞至主體的系統(tǒng)的立體圖。
[0033] 圖17C為電磁致動器的示意圖，其中"推"動作在激活時接觸板和致動器本體彼此 遠離移動。
[0034] 圖17D為電磁致動器的示意圖，其中"拉"動作在激活時接觸板和致動器本體朝向 彼此移動。
[0035] 圖18為配置用于實現(xiàn)本發(fā)明的示例超聲系統(tǒng)的框圖。
[0036] 圖19為形成圖18的超聲系統(tǒng)的一部分的發(fā)射器的示例的框圖。
[0037] 圖20為形成圖18的超聲系統(tǒng)的一部分的接收器的示例的框圖。
[0038] 發(fā)明詳細描述
[0039] 由于組織的機械性質(zhì)與組織健康狀態(tài)有關，因此測量組織的機械性質(zhì)具有重要的 醫(yī)療應用。例如，肝臟纖維化與肝臟組織的硬度（剪切模量和剪切彈性）的增加相關聯(lián)，并 且因此肝臟硬度可用于非入侵性展現(xiàn)（stage)肝臟纖維化。通過介質(zhì)的機械性質(zhì)確定剪切 波的傳播。根據(jù)沃伊特模型，介質(zhì)中的剪切波速c s通過如下與其剪切模量y i和速度y 2相 關：
[0040]
[0041] 其中ws為剪切波的頻率且p為組織密度，該組織密度可假設為l〇〇〇kg/m 3。忽 略速度（設置y2= 〇)，方程式⑴簡化為：
[0042]
[0043] 其中方程式（2)中的cs為剪切波的群速度，意味著在剪切波的所有頻率分量上的 平均剪切波速度。因此，剪切波可用于通過假設零速度和使用方程式（2)求解h來評估 組織彈性，或通過在組織中產(chǎn)生剪切波、測量多個頻率下的剪切波傳播速度、并且使用方程 式（1)求解~和U 2來評估彈性和速度兩者。
[0044] 用剪切波的彈性測量
[0045] 超聲可用于在用于非入侵性彈性成像的組織內(nèi)遠程地生成剪切波。通常，如圖1 所示，具有長持續(xù)時間的推（push)超聲波束（聚焦或不聚焦的）用于產(chǎn)生瞬態(tài)剪切波，并 且脈沖回波超聲用于檢測剪切波的傳播。組織顆粒由于剪切波而向上和向下移動，并且擾 波從推波束以傳播速度(^向外傳播（參見圖1中的箭頭）。也就是說，在圖1中，A、B、C、 D、E為由脈沖回波超聲進行的剪切波檢測的位置。垂直線表示剪切波前，該剪切波前從推 (push)中央向外移動。在這里所示的示例中，剪切波前（由實垂直線表示）在位置C處。 虛線表示已過去的（位置A和B)或?qū)⒌竭_的（位置D和E)剪切波前。
[0046] 通過沿著剪切波傳播路徑由脈沖回波超聲檢測的在多個位置處的剪切波運動的 時間分布可用于計算c s。例如，假設位置A和E之間的距離為Ar以及剪切波在這兩個位 置處的到達時間之間的延時為八〖，則(^= Ar/At?？赏ㄟ^跟蹤在每個位置處的剪切波 峰的時間實例，或通過找出給出在每個位置處檢測到的2個剪切波時間信號之間的最大互 相關來估算時間延時At。對于圖1所示的示例，剪切波前A-E沿著深度方向z相對均勻。 因此，我們僅需要沿著x方向檢測剪切波以測量剪切波傳播速度。換句話說，如果傳播方向 和檢測